DE19702593C2

DE19702593C2 - Method and device for generating shock waves for technical, preferably medical applications

Info

Publication number: DE19702593C2
Application number: DE19702593A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Joerg Kieser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2017-01-25
Also published as: DE59801035D1; JP2001509045A; WO1998033171A3; EP0954847B1; US6383152B1; WO1998033171A2; DE19702593A1; EP0954847A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen für technische, vorzugsweise medizintechnische Anwendungen, insbesondere für die Lithotripsie und/oder Schmerztherapie, wobei durch Druckpulsationen akustische Wellen vorgegebener Wellenlänge hoher Energiedichte erzeugt werden, wozu mit Hilfe eines intensiven elektrischen Impulses elektrische Energie in einem flüssigen Elektrolyten direkt und weitestgehend verlustfrei in mechanische Energie in Form von Druckpulsationen gewandelt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens.The invention relates to a method for production of shock waves for technical, preferably medical technology Applications, in particular for lithotripsy and / or Pain therapy, with acoustic pressure pulsations Waves of predetermined wavelength generated high energy density with the help of an intense electrical impulse electrical energy in a liquid electrolyte directly and largely lossless in mechanical energy in the form is converted from pressure pulsations. In addition, the Invention on a device for performing the procedure rens.

Für verschiedene technische Anwendungen werden bereits inten sive Schallwellen oder Stoßwellen eingesetzt, deren Arbeits drücke im Bereich einiger 10⁷ Pa bis zu 10⁸ Pa liegen. Ein Beispiel ist die Lithotripsie in der Medizintechnik, bei der durch extrakorporal erzeugte, fokussierte Druckwellen am Ort von Gallen- oder Nierensteinen eine so starke Stoßwelle er zeugt wird, daß der Stein in kleine Fragmente zerfällt, welche ohne operative Maßnahmen auf natürliche Weise den Körper verlassen können. Für eine ausreichend hohe Fragmen tation des Steins sind dazu typischerweise einige 100 bis einige 1000 Stoßwellenanwendungen, d. h. Einzelpulse, erfor derlich.Intensive sound waves or shock waves are already used for various technical applications, the working pressures of which range from a few 10 ⁷ Pa to 10 ⁸ Pa. One example is lithotripsy in medical technology, in which, through extracorporeally generated, focused pressure waves at the site of gallstones or kidney stones, such a strong shock wave is generated that the stone disintegrates into small fragments, which leave the body in a natural manner without surgical measures can. For a sufficiently high fragmentation of the stone, typically a few 100 to a few 1000 shock wave applications, ie individual pulses, are required.

Zur Erzeugung letzterer Stoßwellen benötigt man einen Stoß wellengenerator, der eine bereits fokussierte oder durch insbesondere akustische Linsen fokussierbare Schallwelle erzeugt, deren Fokus am Ort des zu zerstörenden Steins liegen muß. Die Brennweite der akustischen Anordnung sollte dabei klein, d. h. im Bereich einiger 10 cm sein, um die Energie dichte an der Körperoberfläche des Patienten soweit, d. h. auf < 1 J/cm² zu begrenzen, daß der beim Schalldurchtritt ent stehende Schmerz durch Lokalanästhetika beherrschbar ist.To generate the latter shock waves you need a shock wave generator that generates an already focused or focusable by acoustic lenses in particular sound wave, the focus of which must be at the location of the stone to be destroyed. The focal length of the acoustic arrangement should be small, that is to say in the range of a few 10 cm, in order to limit the energy density on the patient's body surface to such an extent, that is to <1 J / cm ² , that the pain which arises when sound passes through can be controlled by local anesthetics .

Für eine vertretbare Behandlungsdauer sollte die Pulswieder holrate bei etwa 1 bis 5 pro Sekunde liegen. Die Lebensdauer des Stoßwellengenerators muß möglichst hoch, d. h. bei einigen Millionen Pulsen, liegen, um die Behandlung einer größeren Anzahl an Patienten ohne notwendige Service- bzw. Reparatur arbeiten zu ermöglichen. Während der gesamten Lebensdauer dürfen sich die Eigenschaften des Stoßwellengenerators, ins besondere Stoßwellenenergie, Impulsdauer, Fokuslage, etc., nicht oder nur geringfügig ändern, um konstante, reproduzier bare Arbeitsergebnisse zu ermöglichen. Die Erzeugung der Stoßwellen sollte in Wasser oder in Flüssigkeiten mit aku stisch dem Wasser vergleichbaren Eigenschaften erfolgen, damit eine effiziente Schallausbreitung und -übertragung in den Körper des Patienten über eine angepaßte akustische Impedanz zwischen Stoßwellengenerator und Körper möglich wird. Der Fokusdurchmesser der fokussierten Stoßwelle am Ort des Steins (~ cm) sollte vergleichbar sein mit den Abmessun gen des Steins, um eine effiziente Wechselwirkung zwischen Stoßwelle und Stein zu erreichen. Typische Wellenlängen der Stoßwelle liegen im Bereich von 1 bis 10 mm, entsprechend Pulsdauern von typischerweise ~ 1 µs. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Qualität der Wellenfront im Stoß wellengenerator, um die geforderte Fokussierbarkeit zu er zielen.The pulse should be repeated for a reasonable duration of treatment frame rates are around 1 to 5 per second. The lifespan the shock wave generator must be as high as possible, d. H. with some Millions of pulses lie around the treatment of a larger one Number of patients without necessary service or repair to enable work. Throughout the life may the properties of the shock wave generator, ins special shock wave energy, pulse duration, focus position, etc., not or only slightly change to constant, reproducible enable clear work results. The generation of the Shock waves should be in water or in liquids with acu properties that are comparable to water, thus efficient sound propagation and transmission in the patient's body via a customized acoustic Impedance between shock wave generator and body possible becomes. The focus diameter of the focused shock wave at the location of the stone (~ cm) should be comparable to the dimensions towards the stone to ensure an efficient interaction between Reach shock wave and stone. Typical wavelengths of the Shock waves are in the range of 1 to 10 mm, accordingly Pulse durations of typically ~ 1 µs. Are correspondingly high the requirements for the quality of the wavefront in impact wave generator to achieve the required focusability aim.

Ähnliche Anforderungen werden auch bei anderen technischen Anwendungen erhoben, so z. B. beim Recycling durch Stoßwellen, beim Reinigen von Oberflächen durch Stoßwellen, im Bergbau, beispielsweise Felszerkleinerung ohne Einsatz chemischer Sprengmittel, in der Geologie und der Meereskunde, beispiels weise für Sonaranwendungen. Dabei werden zum Teil wesentlich höhere und u. U. auch variablere Pulsenergien gefordert als bei der Lithotripsie, so daß für viele Anwendungen ein nahezu beliebig skalierbares Stoßwellengenerator im Prinzip von großem Nutzen wäre.Similar requirements apply to other technical Applications raised, e.g. B. during recycling by shock waves, when cleaning surfaces by shock waves, in mining, for example rock crushing without the use of chemical Explosives, in geology and oceanography, for example wise for sonar applications. This becomes essential in some cases higher and u. U. also more variable pulse energies required than in lithotripsy, so that for many applications an almost arbitrarily scalable shock wave generator in principle from would be of great benefit.

Zur Erzeugung von Stoßwellen werden, abgesehen vom Einsatz chemischer Explosivstoffe, bisher ausschließlich die fol genden drei Prinzipien eingesetzt, bei denen elektrische Energie in akustische Energie in Form intensiver Stoßwellen umgesetzt wird:
Apart from the use of chemical explosives, the following three principles have so far been used to generate shock waves, in which electrical energy is converted into acoustic energy in the form of intense shock waves:

- The electro-hydraulic principle with generation of a spherical rically expanding pressure wave through an underwater spark, and possibly focusing with ellipsoidal Reflectors, for which versions in Rev. Sc. Instrument 65 (1994), pp. 2356-2363 and Biomed. Tech. 22 (1977), p. 164 ff. are made.
- The piezoelectric principle with the generation of a pressure wave through the use of pulsed piezoelectric sound converter, for example according to DE 33 19 871 A1.
- The electromagnetic principle with generating a pressure wave through an electromagnetically driven membrane, what is detailed in Appl. Phys. Lett. 64 (1994), p. 2596- 2598 and Acustica 14 (1964), p. 187.

Weiterhin ist aus der DE-AS 10 76 413 eine Stoß-Schallquelle mit wenigstens einem innerhalb einer Flüssigkeit befindli chen, durch Isolierkörper eingeengten Strompfad bekannt, bei dem als Stromquelle ein Entladungskondensator dient und die die Einengung der Strompfade bewirkende Körper aus gummi elastischem Werkstoff großer Zähigkeit bestehen. Über die physikalische und/oder die phänomenologische Wirkungsweise der dort zugrunde liegenden Pulsationserzeugung werden keine eindeutigen Aussagen gemacht.Furthermore, DE-AS 10 76 413 is a shock sound source with at least one in a liquid Chen, known by the isolating current path, at which serves as a current source and the discharge capacitor bodies of rubber which narrow the current paths elastic material of great toughness. About the physical and / or phenomenological mode of action the pulsation generation there is based on none made clear statements.

Insbesondere beim erstgenannten Prinzip sind Hauptnachteile die kurze Lebensdauer, schlechte Reproduzierbarkeit und begrenzte Skalierbarkeit der Stoßwellenwandler, wobei vor allem die kurze Lebensdauer, z. B. nur einige 1000 Pulse, aufgrund des Elektrodenabbrandes sowie die daraus resultie rende Schwankung der Fokuslage Probleme bereiten. Piezoelek trische Wandler sind bei den hier geforderten Amplituden in ihrer mechanischen Lebensdauer ebenfalls stark eingeschränkt. Elektromagnetische Schallwandler erreichen z. Z. die größten Lebensdauern von typisch ~ 1 Million Pulse, sind jedoch aus Gründen elektrischer und mechanischer Belastbarkeit nur begrenzt skalierbar. Eine Verlängerung der Lebensdauer auf mehrere Millionen Pulse wäre vorteilhaft, wie auch eine breitere Skalierbarkeit der Schallwellenenergie und Impuls form.The main disadvantages are in particular with the former principle the short lifespan, poor reproducibility and limited scalability of the shock wave transducers, whereby before especially the short lifespan, e.g. B. only a few 1000 pulses, due to the electrode erosion and the resulting problems with the fluctuating focus position. Piezoelek trical transducers are in with the amplitudes required here their mechanical life is also severely limited. Electromagnetic transducers reach z. Currently the largest Lifetimes of typically ~ 1 million pulses, however, are out For electrical and mechanical resilience only limited scalability. An extension of the lifespan several million pulses would be beneficial, as would one broader scalability of sound wave energy and momentum shape.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Er zeugung von Stoßwellen anzugeben, mit dem ohne Verschleiß probleme mehrere Millionen Pulse erzeugt werden können, und dazu eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.The object of the invention is therefore to provide a method for He generation of shock waves to indicate with no wear problems several million pulses can be generated, and to create an associated device.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Verfahrensanspruches 1 und des zugehörigen Vorrichtungsanspruches 7 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention, the object is the totality of the Features of method claim 1 and the associated Device claim 7 solved. Further training is in the Subclaims marked.

Die Erfindung geht davon aus, daß über die kurzzeitige Aufheizung eines gut leitfähigen Elektrolyten mit Hilfe eines intensiven elektrischen Impulses die elektrische Energie direkt und verlustfrei in thermische Energie des Elektrolyten umgesetzt werden kann. Die Aufheizung erfaßt größere, ska lierbare Volumina bzw. große, ebenfalls skalierbare Ober flächen simultan und homogen. Über die Wärmeausdehnung des erwärmten Elektrolyten wird in geeignetem Umgebungsmedium ein Druckanstieg und damit, unter geeigneten Randbedingungen, eine Druckwelle erzeugt, die sich in diesem Medium ausbreiten kann. Aufgrund dieses Prinzips ist eine nahezu beliebige Skalierbarkeit und Geometrie möglich bei gleichzeitig nahezu verschleißfreiem Verhalten eines solchen thermohydraulischen Stoßwellenwandlers. Da im Gegensatz zu dem elektrohydrauli schen Prinzip generell keine Konzentration des Stromflußes durch Plasmabildung an einzelnen Punkten der Elektroden erfolgt, führt der Betrieb einer solchen Anordnung nicht zum Abbrand der Elektroden, wodurch eine hohe Lebensdauer er reichbar ist. Durch die räumlich homogene Leistungsbelastung des Elektrolyten wird auch die Membran bzw. akustisch "durch lässige" Elektrode mechanisch sehr homogen belastet, wodurch die Lebensdauer der Membran ebenfalls stark erhöht wird im Vergleich zu elektromagnetischen Schallwandlern.The invention assumes that the short-term Heating a highly conductive electrolyte with the help of a intense electrical impulse the electrical energy direct and lossless in thermal energy of the electrolyte can be implemented. The heating detects larger, ska adjustable volumes or large, also scalable tops surfaces simultaneously and homogeneously. About the thermal expansion of the heated electrolyte is placed in a suitable ambient medium Pressure increase and thus, under suitable boundary conditions, generates a pressure wave that propagates in this medium can. Because of this principle, any one is almost arbitrary Scalability and geometry possible at almost the same time wear-free behavior of such a thermohydraulic Shock wave converter. In contrast to the electrohydrauli principle generally no concentration of the current flow by plasma formation at individual points on the electrodes takes place, the operation of such an arrangement does not lead to The electrodes burn off, resulting in a long service life is reachable. Due to the spatially homogeneous performance load of the electrolyte is also through the membrane or acoustically casual "electrode mechanically very homogeneously loaded, whereby the life of the membrane is also greatly increased Comparison to electromagnetic transducers.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung, die die Arbeitsweise von erfin dungsgemäßen thermoelektrischen Schallwandlern wiedergeben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung Further details and advantages of the invention emerge from the following figure description of execution play on the basis of the drawing that invented the way reproduce thermoelectric transducers according to the invention. They each show a schematic representation

Fig. 1 einen thermoelektrischen Stoßwellengenerator mit ebenen Elektroden und zugehörigem Leistungsimpulsgenerator, Fig. 1 shows a thermoelectric shock wave generator with planar electrodes and an associated power pulse generator,

Fig. 2 einen rotationssymmetrischen thermohydraulischen Stoß wellengenerator und zugehörigem Leistungsimpulsgenera tor mit einer radialen Elektrodenanordnung und radialem Stromfluß, Fig. 2 is a rotationally symmetrical thermohydraulic shock wave generator and associated Leistungsimpulsgenera tor with a radial electrode arrangement and radial current flow,

Fig. 3 einen thermohydraulischen Stoßwellengenerator mit kon kaven Elektroden, sowie Fig. 3 shows a thermo-hydraulic shock wave generator with kon kaven electrodes, and

Fig. 4 und 5 eine Draufsicht und einen Schnitt einer spezi fischen Ausbildung einer fokussierenden Elektrode. FIGS. 4 and 5 is a plan view and a section of a specific fishing forming a focusing electrode.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Ausführungsform eines thermo elektrischen Schallwandlers mit ebenen Elektroden. Bei einer solchen Ausführungsform wird, entsprechend der Geometrie der Anordnung, eine ebene Schallwelle erzeugt, die von einer gegebenenfalls nachfolgenden akustischen Linse fokussiert werden kann. Der Schallwandler besteht aus einer feststehen den, massiven Elektrode 1, einer dünnen und leichten Elek trode 2 im Abstand s von der Elektrode 1, dem Elektrolyten 3 der Schichtdicke s, und dem Schallausbreitungsmedium 4. Fig. 1 shows the principle of the embodiment of a thermoelectric sound transducer with flat electrodes. In such an embodiment, in accordance with the geometry of the arrangement, a flat sound wave is generated, which can be focused by an acoustic lens that may follow. The sound transducer consists of a fixed, solid electrode 1 , a thin and light electrode 2 at a distance s from the electrode 1 , the electrolyte 3 of the layer thickness s, and the sound propagation medium 4 .

Die feststehende Elektrode 1 und die membranförmige Elektrode 2 sind beide aus gegenüber den Medien 3 und 4 korrosions beständigen Materialien gefertigt und weisen glatte Ober flächen auf, um die Ausbildung lokalisierter Entladungen aufgrund von Feldstärkeüberhöhungen an Spitzen etc. zu ver meiden.The fixed electrode 1 and the membrane-shaped electrode 2 are both made of corrosion-resistant materials with respect to the media 3 and 4 and have smooth upper surfaces in order to avoid the formation of localized discharges due to excessive field strength at tips etc.

Das Produkt aus Massendichte und Schallgeschwindigkeit der Elektrode 1 ist deutlich größer als die im Elektrolyten 3 und dem Schallausbreitungsmedium 4. Die akustische Impedanz des Elektrolyten 3 und des Schallausbreitungsmediums 4 sollen möglichst gleich sein und etwa der von Wasser, d. h. dem Hauptbestandteil des menschlichen Körpers, entsprechen, um eine gute akustische Anpassung zwischen dem Schallwandler und dem Patientenkörper zu erzielen. Zweckmäßigerweise wird als Medium 4 gasfreies, vollentsalztes Wasser und als Elektrolyt 3 eine leitfähige Salzlösung verwendet.The product of the mass density and the speed of sound of the electrode 1 is significantly larger than that in the electrolyte 3 and the sound propagation medium 4 . The acoustic impedance of the electrolyte 3 and the sound propagation medium 4 should be as equal as possible and approximately correspond to that of water, ie the main component of the human body, in order to achieve a good acoustic adaptation between the sound transducer and the patient's body. Appropriately, gas-free, fully demineralized water is used as the medium 4 and a conductive salt solution is used as the electrolyte 3 .

Eine besonders einfache Ausführungsform verwendet für das Medium 4 dasselbe Material wie für den Elektrolyten 3. Es sind dazu auch andere Flüssigkeiten als Wasser, aber mit ver gleichbaren elektrischen und akustischen Eigenschaften, ver wendbar. Insbesondere bei anderen Anwendungen als in Litho triptern ist es sinnvoll, die akustische Impedanz der Medien 3 und 4 an die des Koppelmediums anzupassen, wie beispiels weise bei der Felszerkleinerung mittels Stoßwellen.A particularly simple embodiment uses the same material for the medium 4 as for the electrolyte 3 . Liquids other than water can also be used, but with comparable electrical and acoustic properties. Especially in applications other than in litho tripters, it makes sense to adapt the acoustic impedance of the media 3 and 4 to that of the coupling medium, such as in rock crushing using shock waves.

Die Stromzuführung zur Elektrode 2 muß symmetrisch aufgebaut sein, um die gewünschte Symmetrie der zu erzeugenden Druck welle über eine symmetrische Strom- und Leistungsverteilung im Elektrolyten 3 zu erreichen. Vorteilhaft ist dazu die Beibehaltung einer koaxialen Stromzuführung bis zu den Elek troden 1 und 2.The power supply to the electrode 2 must be constructed symmetrically in order to achieve the desired symmetry of the pressure wave to be generated via a symmetrical current and power distribution in the electrolyte 3 . It is advantageous to maintain a coaxial power supply up to the electrodes 1 and 2 .

An die Elektroden 1 und 2 angeschlossen ist ein Leistungs impulsgenerator, der elektrische Energie in Form kurzer Pulse mit Zeitdauern von typisch µs bereitstellt. Im einfachsten Fall besteht der Impulsgenerator aus einem Energiespeicher in Form eines Hochspannungskondensators C, einem schnell schlie ßenden Schaltelement S, und einer aus den Zuleitungen gebil deten Induktivität L. Beim Schließen des Schalters S entlädt sich der Kondensator über die Induktivität L und den Schalter S in den Elektrolyten mit dem Innenwiderstand R. Der Energie inhalt E des Speichers ist
Connected to electrodes 1 and 2 is a power pulse generator which provides electrical energy in the form of short pulses with typical µs. In the simplest case, the pulse generator consists of an energy store in the form of a high-voltage capacitor C, a fast-closing switching element S, and an inductor L formed from the supply lines. When the switch S is closed, the capacitor discharges via the inductor L and the switch S in the electrolyte with the internal resistance R. The energy content E of the storage is

E = C.U²/2
E = CU ^2/2

mit der Ladespannung U des Kondensators. Dadurch wird der Elektrolyt um die Temperaturdifferenz
with the charging voltage U of the capacitor. This causes the electrolyte to drop the temperature difference

ΔT = E/(ρ_m.C_h.A.s)
ΔT = E / (ρ _m .C _h . As)

erwärmt, wobei ρm die Massendichte des Elektrolyten (~ 1,0 g/cm³ für wäßrige Lösungen), C_h die Wärmekapazität des Elektrolyten, und A.s das Volumen des Elektrolyten (= Fläche A . Dicke s) ist. Bei ausreichend kurzen Impulsen im µs-Be reich kann die Wärmeleitung vernachlässigt werden. Dadurch dehnt sich der Elektrolyt um
heated, where ρm is the mass density of the electrolyte (~ 1.0 g / cm ³ for aqueous solutions), C _{h is} the heat capacity of the electrolyte, and As is the volume of the electrolyte (= area A. thickness s). With sufficiently short pulses in the µs range, the heat conduction can be neglected. This causes the electrolyte to expand

ΔV/V = α.ΔT
ΔV / V = α.ΔT

aus, wobei α der Volumenausdehnungskoeffizient ist. Für den Fall, daß gilt
, where α is the expansion coefficient. In the event that applies

r » s
r »s

und s < λ, r < λ
and s <λ, r <λ

mit 2.r = Durchmesser der Elektroden 1 und 2, λ = Länge der Stoßwelle, λ = c_s.τ mit c_s = Schallgeschwindigkeit in den Medien 3 und 4 und τ = Pulsdauer, dehnt sich der Elektrolyt fast ausschließlich in der Richtung senkrecht zur Elektroden oberfläche aus, d. h. für die relative Schichtdickenänderung erhält man
with 2.r = diameter of electrodes 1 and 2 , λ = length of the shock wave, λ = c _s .τ with c _s = speed of sound in media 3 and 4 and τ = pulse duration, the electrolyte stretches almost exclusively in the vertical direction to the electrode surface, ie for the relative change in layer thickness

Δs/s ~ ΔV/V = α.ΔTΔs / s ~ ΔV / V = α.ΔT

Diese Änderung von s wird wegen der endlichen Schallgeschwin digkeit c_s über einen Weg
This change in s is due to the finite speed of sound c _s in one way

λ' = s + λ
λ '= s + λ

aufgrund der endlichen Kompressibilität κ der Medien 3 und 4 abgebaut. Wenn κ und c_s für beide Medien 3 und 4 als iden tisch angenommen werden, erhält man für den mittleren Druck anstieg innerhalb des Bereichs λ':
degraded due to the finite compressibility κ of media 3 and 4 . If κ and c _s are assumed to be identical for both media 3 and 4 , one obtains for the mean pressure increase within the range λ ':

Δp = α . E/[(s + λ) . κ .ρ_m . C_h . A]
Δp = α. E / [(s + λ). κ .ρ _m . C _h . A]

und für den Fall s << λ, d. h. im Fall vernachlässigbarer Schichtdicke s im Vergleich zur Stoßwellenbreite λ:
and for the case s << λ, ie in the case of negligible layer thickness s compared to the shock wave width λ:

Δp = α . E/[c_s. τ . κ . ρm . C_h . A]Δp = α. E / [c _s . τ. κ. ρm. C _h . A]

D. h., die Amplitude des Druckanstiegs ist unabhängig von der Schichtdicke s.That is, the amplitude of the pressure rise is independent of the Layer thickness s.

Für α, c_s, κ, ρ, und C_h lassen sich, bei Verwendung einer wässrigen Lösung oder Ethanol für die Medien 3 und 4, die Werte aus der Literatur entnehmen:
The values for α, c _s , κ, ρ, and C _h can be found in the literature when using an aqueous solution or ethanol for media 3 and 4 :

Bei einer Pulsenergie von 200 J, einer Elektrodenoberfläche A = 100 cm² = 10^-2 m² und einer Pulsdauer von τ ~ 5 µs erzielt man somit eine ebene Druckwelle mit einer mittleren Amplitude von
With a pulse energy of 200 J, an electrode surface A = 100 cm ² = 10 ^-2 m ² and a pulse duration of τ ~ 5 µs, a flat pressure wave with an average amplitude of

Δp ~ 2,66 . 10⁵ N/m² ~ 2,6 bar
Δp ~ 2.66. 10 ⁵ N / m ² ~ 2.6 bar

in wäßrigen Elektrolyten, bzw.
in aqueous electrolytes, or

Δp ~ 1,6 . 10⁶ N/m²~ 16 bar
Δp ~ 1.6. 10 ⁶ N / m ² ~ 16 bar

in einem Elektrolyten, der als Hauptbestandteil Ethanol enthält.in an electrolyte, the main component of which is ethanol contains.

Dieser Druckanstieg breitet sich im Medium 4 als ebene Welle senkrecht zur Oberfläche der Elektrode 1 aus und kann von einer akustischen Linse fokussiert werden; dabei werden Fokusdurchmesser 2 . r_f von typisch
This pressure increase spreads in the medium 4 as a plane wave perpendicular to the surface of the electrode 1 and can be focused by an acoustic lens; the focus diameter becomes 2. r _f of typical

2 . r_f ~ λ
2nd r _f ~ λ

erreicht, d. h. die ebene Welle wird um ein bis zwei Größen ordnungen komprimiert, was zu einer entsprechenden Druck erhöhung im Fokus führt.reached, d. H. the plane wave will be one or two sizes larger orders compressed, resulting in a corresponding pressure increase in focus leads.

Über eine Vergrößerung von A lassen sich die im Fokus er zielbaren Spitzendrucke in weiten Grenzen skalieren. Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung ist es somit möglich, reproduzierbar und praktisch verschleißfrei Stoßwellen mit Amplituden im < 100 bar-Bereich zu erzeugen, welche für die Anwendung in Lithotriptern geeignet sind.By enlarging A, they can be in focus Scalable, targetable top prints within wide limits. With With the aid of the arrangement described, it is thus possible reproducible and practically wear-free with shock waves Generate amplitudes in the <100 bar range, which for the Use in lithotripters are suitable.

Eine weitere Erhöhung des Drucks erhält man durch eine Ver kürzung der Pulsdauer, da wegen der endlichen Schallgeschwin digkeit die im Elektrolyten deponierte Energie auf ein klei neres Volumen verteilt und der Druckanstieg dementsprechend über eine kürzere Strecke abgebaut wird. Bei gleicher Puls energie von 200 J und einer Pulsdauer von nur τ = 1 µs steigt der Anfangsdruck bereits auf Δp ~ 10 bar bei Verwendung eines wäßrigen Elektrolyten.A further increase in pressure is obtained by a Ver shortening of the pulse duration because of the finite speed of sound the energy deposited in the electrolyte on a small scale distributed more volume and the pressure increase accordingly is mined over a shorter distance. With the same pulse energy of 200 J and a pulse duration of only τ = 1 µs increases the initial pressure is already at Δp ~ 10 bar when using a aqueous electrolytes.

Eine zusätzliche Erhöhung des Drucks läßt sich über Verwen dung anderer Elektrolyten für Medium 3 erreichen; insbeson dere sind Flüssigkeiten mit niedriger Wärmekapazität und kleiner Kompressibilität bei gleichzeitig großem Wärmeaus dehnungskoeffizienten vorteilhaft. Als Beispiel sei hier der oben bereits genannte Ethanol genannt, dem ionenleitende Zusätze beigemischt werden; als Zusatz ist beispielsweise eine Beimischung aus Wasser mit einem darin gelösten Salz geeignet, um die geforderte Leitfähigkeit zu erreichen. Für das oben angegebene Beispiel (E = 200 J; τ = 1 µs) erhält man Drücke der Größenordnung Δp ~ 40 bar bei Verwendung von Etha nol. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung höherwertiger, bei Raumtemperatur nicht entflammbarer Alkohole, wie bei spielsweise Ethylenglycol oder Glycerin mit darin löslichen Salzen wie z. B. Magnesiumperchlorat oder Lithiumchlorid.An additional increase in pressure can be achieved by using other electrolytes for medium 3 ; In particular, liquids with a low heat capacity and low compressibility combined with a high coefficient of thermal expansion are advantageous. An example is the ethanol already mentioned above, to which ion-conducting additives are added; as an additive, for example, an admixture of water with a salt dissolved in it is suitable in order to achieve the required conductivity. For the example given above (E = 200 J; τ = 1 µs), pressures of the order of magnitude Δp ~ 40 bar are obtained when using ethanol. Particularly advantageous is the use of higher quality, non-flammable alcohols, such as ethylene glycol or glycerol with soluble salts such as. B. magnesium perchlorate or lithium chloride.

Gemäß Fig. 2 verwendet eine vorteilhafte Ausführung eine Elek trodenanordnung mit Stromfluß in radialer anstatt axialer Richtung und läßt somit höhere Betriebsspannungen am Elek trolyten 3 zu. Der Leistungsimpuls wird an eine in der Symmetrieachse zentrische Elektrode 8 und eine dazu koaxial angeordnete, zylindrische oder ringförmige Elektrode 7 ange legt. Der Strom fließt im angegebenen Beispiel, bei dem Rotationssymmetrie vorausgesetzt wird, in radialer Richtung zwischen den Elektroden 7 und 8 im Elektrolyten 3. Der Elek trolyt mit der Schichtdicke s ist auf der einen Seite durch eine isolierende Platte 9 abgegrenzt, auf der anderen Seite durch eine ebenfalls isolierende Membran 10 gegen das Aus breitungsmedium 4, um den Stromfluß dadurch auf das Volumen mit der Elektrolytdicke s zu begrenzen. Die Elektrodenschlag weite s' wird dadurch von s auf annähernd den Radius der An ordnung erweitert, wodurch wesentlich höhere Spannungen an den Elektroden zulässig werden, ohne daß die Gefahr eines Durchschlags im Elektrolyten entsteht. Dadurch kann im Elektrolyten 3 eine wesentlich höhere Energiedichte erzeugt werden, die zu erheblich höheren Druckamplituden führt als im Fall axialen Stromflusses.Referring to FIG. 2, an advantageous embodiment uses a Elek trodenanordnung with current flow in the radial rather than axial direction, and thus be higher operating voltages at the elec trolyten to 3. The power pulse is applied to a central electrode 8 in the axis of symmetry and a cylindrical or annular electrode 7 arranged coaxially therewith. In the example given, assuming rotational symmetry, the current flows in the radial direction between the electrodes 7 and 8 in the electrolyte 3 . The electrolyte with the layer thickness s is delimited on one side by an insulating plate 9 , on the other side by a likewise insulating membrane 10 against the expansion medium 4 , in order to thereby limit the current flow to the volume with the electrolyte thickness s. The electrode runout width s' is thereby expanded from s to approximately the radius of the arrangement, which allows much higher voltages on the electrodes without the risk of breakdown in the electrolyte. As a result, a much higher energy density can be generated in the electrolyte 3 , which leads to considerably higher pressure amplitudes than in the case of axial current flow.

Eine Fokussierung der Druckwelle wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß zwei Elektroden 21 und 22 nicht eben, sondern entsprechend Fig. 3 konkav ausgebildet sind. Es wird so eine gekrümmte Wellenfront erzeugt, die zu einer konzen trisch einlaufenden Druckwelle führt, welche einen ausgepräg ten Fokus im Brennpunkt des von der Elektrodenoberfläche der Elektrode 21 gebildeten Reflektors aufweist. In dieser selbstfokussierenden Anordnung kann auf eine akustische Linse verzichtet werden, so daß die mit der Linse verbundenen Ab bildungsfehler und Verluste entfallen.Focusing of the pressure wave is advantageously achieved in that two electrodes 21 and 22 are not flat, but are concave in accordance with FIG. 3. In this way, a curved wavefront is generated, which leads to a concentrically incoming pressure wave, which has a pronounced focus at the focal point of the reflector formed by the electrode surface of the electrode 21 . In this self-focusing arrangement, an acoustic lens can be dispensed with, so that the imaging errors and losses associated with the lens are eliminated.

Eine Ausbildung der Elektroden 21 und 22 in konvexer Form würde zur Ausbildung von sphärisch expandierenden Stoßwellen führen, die z. B. für Ultraschall-Tomographie sowie für Sonar- Systeme im Wasser und in der Erdkruste, dem sogenannten "Geo- Mapping", eingesetzt werden können.Forming the electrodes 21 and 22 in a convex shape would lead to the formation of spherically expanding shock waves which, for. B. for ultrasound tomography and for sonar systems in water and in the earth's crust, the so-called "geo-mapping" can be used.

In weiteren vorteilhaften, nicht im einzelnen gezeigten Ausführungsformen kann die Geometrie der Elektroden 1 und 2 eine andere als ebene oder sphärische Geometrie aufweisen. Bei Verwendung zylindrischer Elektrodenformen läßt sich bei spielsweise ein Linienfokus erzeugen, der vorteilhaft zum präzisen Trennen spröder Objekte, wie beispielsweise Halb leiterscheiben, Glaswerkstücke, Keramiksubstrate, optische Bauteile, Keramikfliesen, etc., oder zum Reinigen größerer Gußteile einsetzen läßt. Durch Anpassung von Geometrie und elektrischen Parametern läßt sich ein thermohydraulischer Stoßwellengenerator für nahezu jede Anwendung optimieren, bei der hohe mechanische Kräfte nur kurzzeitig, d. h. stoßartig, benötigt werden. In further advantageous embodiments, which are not shown in detail, the geometry of the electrodes 1 and 2 can have a geometry other than flat or spherical. When using cylindrical electrode shapes, a line focus can be generated, for example, which can advantageously be used for the precise separation of brittle objects, such as semiconductor plates, glass workpieces, ceramic substrates, optical components, ceramic tiles, etc., or for cleaning larger castings. By adapting the geometry and electrical parameters, a thermohydraulic shock wave generator can be optimized for almost any application in which high mechanical forces are only required for a short time, ie in a jerky manner.

Für die Dimensionierung des Stoßwellengenerators ist die Kopplung mit dem Impulsgenerator ausschlaggebend. Bei einer für die Leistungsimpulstechnik typischen Impedanz Z von Z = √L/C ~ 1 Ω benötigt man einen Innenwiderstand des Elek trolyten von R ~ 1 Ω. Der Innenwiderstand R des Elektrolyten berechnet sich zu R = ρ . s/A und daraus der spezifische Wider stand ρ zu ρ = A . R/s = 10³ Ω.cm.The coupling with the pulse generator is decisive for the dimensioning of the shock wave generator. With an impedance Z of Z = √L / C ~ 1 Ω typical for power pulse technology, an internal resistance of the electrolyte of R ~ 1 Ω is required. The internal resistance R of the electrolyte is calculated as R = ρ. s / A and the specific resistance ρ to ρ = A. R / s = 10 ³ Ω.cm.

Ein entsprechender spezifischer Widerstand wird beispiels weise durch wäßrige Salzlösungen mit Konzentrationen im Be reich C ~ 1 g/l erreicht, wenn die Oberfläche A im Bereich A ~ 100 cm² und der Elektrodenabstand s mit s ≅ 1 mm dimen sioniert werden.A corresponding specific resistance is achieved, for example, by aqueous salt solutions with concentrations in the range C ~ 1 g / l if the surface A in the area A ~ 100 cm ² and the electrode spacing s are dimensioned with s ≅ 1 mm.

Bei einem Elektrodenabstand von s = 1 mm erreicht man eine Spannungsfestigkeit U_max in Wasser von U_max ~ 10 kV. Dies entspricht der maximal und nur kurzzeitig am Elektrolyten anliegenden Spitzenspannung bei einer Ladespannung von 20 kV. Die Dimensionierung von Stoßwellengenerator und Leistungs impulsgenerator entsprechen somit dem bei ähnlichen Geräten eingesetzten Stand der Technik und stellen keine schwer be herrschbaren Anforderungen an die Komponenten.With an electrode spacing of s = 1 mm, a dielectric strength U _max in water of U _max ~ 10 kV is achieved. This corresponds to the maximum and only briefly applied peak voltage at a charging voltage of 20 kV. The dimensions of the shock wave generator and the power pulse generator thus correspond to the state of the art used in similar devices and do not impose any difficult requirements on the components.

In weiterer Ausgestaltung kann beim beschriebenen "Thermo hydraulischen Stoßwellengenerator" sowohl auf eine konkave Formgebung der Elektroden als auch auf eine refraktive akustische Linse verzichtet werden. Dies kann dadurch er reicht werden, daß die Oberfläche einer akustisch reflektie renden ("harten") Elektrode so strukturiert ist, daß im Mit tel eine plane oder konkave, fokussierende Oberfläche inner halb zulässiger Toleranzen eingehalten wird, daß aber durch radialsymmetrische Strukturen jedoch eine Fokussierung ring förmiger Anteile der reflektierten ebenen Schallwelle auf einen gemeinsamen Fokus erfolgt. Die Strukturen müssen dabei in radialer Richtung so klein dimensioniert sein, daß sowohl die unvermeidlichen Abweichungen von der angestrebten gemein samen Fokuslage toleriert werden können, als auch die Span nungsfestigkeit zwischen den beiden Elektroden durch die ebenfalls unvermeidlichen Höhendifferenzen der Oberflächen strukturen nicht beeinträchtigt wird.In a further embodiment, the "Thermo hydraulic shock wave generator "both on a concave Shaping of the electrodes as well as on a refractive acoustic lens can be dispensed with. He can do this be enough that the surface of an acoustic reflection renden ("hard") electrode is structured so that in the Mit a flat or concave, focusing surface inside half permissible tolerances are met, but by radially symmetrical structures, however, a focusing ring shaped portions of the reflected plane sound wave there is a common focus. The structures have to do this be dimensioned so small in the radial direction that both the inevitable deviations from the intended common seed focus position can be tolerated, as well as the span strength between the two electrodes by the also inevitable differences in height of the surfaces structures is not affected.

Gemäß Fig. 4 und Fig. 5 erreicht man den gewünschten Effekt, indem in eine Elektrodenoberfläche 100 konzentrische Ringe 11 eingedreht werden, deren Oberfläche 111 mit der ursprünglich planen Elektrodenoberfläche einen bestimmten Winkel α einschließen, so daß die Ringoberflächen 111 zur Symmetrieachse der Elektrode hin geneigt sind. Dieser Winkel α wird so berechnet, daß die Normalenkegel durch die jewei lige Ringmitte mit ihrer Spitze alle im geforderten Fokus punkt liegen. Dafür gilt die Beziehung
According to FIG. 4 and FIG. 5, it reaches the desired effect by be screwed into an electrode surface 100 concentric rings 11, α include the surface 111 with the originally schedule electrode surface a specified angle, so that the annular surfaces 111 inclined to the axis of symmetry of the electrode towards are. This angle α is calculated in such a way that the normal cones are all in the required focus point through the ring center with their tip. The relationship applies to this

sinα = R_x/F
sinα = R _x / F

wobei R_x der mittlere Radius des x-ten Ringes und F der Abstand des Fokus von der Elektrodenoberfläche ist. Die Ringbreite wird vorteilhaft so gewählt, daß die maximalen Höhen der Ringe über der mittleren, d. h. planen Elektroden oberfläche < 0,25 . d sind, wobei d der mittlere Elektroden abstand ist. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit der Anord nung nicht unzulässig erniedrigt. Eine zusätzliche Anforde rung an die Ringbreite wird durch die zulässigen Abweichungen der Lage der Teilfokii vom gemeinsamen Fokus und der damit verbundenen Verbreiterung des Fokusdurchmessers erhoben.where R _{x is} the mean radius of the xth ring and F is the distance of the focus from the electrode surface. The ring width is advantageously chosen so that the maximum heights of the rings above the middle, ie flat electrode surface <0.25. d are, where d is the middle electrode distance. As a result, the dielectric strength of the arrangement is not unduly lowered. An additional requirement for the ring width is raised by the permissible deviations of the position of the partial foci from the common focus and the associated broadening of the focus diameter.

Eine vorteilhafte Ausführung verwendet für die Oberflächen der eingedrehten Ringe keine Kegelmantelflächen als ein fachste Ausführungsform, sondern Kugeloberflächen, deren Radien r_x so berechnet sind, daß eine Feinkorrektur der Wellenfront in Bezug auf die geforderte Fokuslage erfolgt:
An advantageous embodiment does not use conical outer surfaces as a most practical embodiment for the surfaces of the turned-in rings, but spherical surfaces whose radii r _x are calculated in such a way that the wavefront is corrected in relation to the required focus position:

r_x = F/sinαr _x = F / sinα

Durch weitere Feinkorrekturen der beschriebenen Art lassen sich die nichtlinearen Effekte, die durch die Aufteilung der Druckwelle zu einer intensiven Stoßwelle hervorgerufen wer den, ebenfalls korrigieren, so daß mit einer quasiplanaren Anordnung mit strukturierter Oberfläche eine fokussierende Anordnung mit hervorragender Fokusqualität erzeugt werden kann.Leave through further fine adjustments of the type described the nonlinear effects caused by the division of the Pressure wave to an intense shock wave who caused the, also correct so that with a quasi-planar Arrangement with a structured surface a focusing Arrangement with excellent focus quality can be generated can.

Die im einzelnen beschriebenen Eigenschaften dieser Anordnung führen zu einer Selbstfokussierung der ebenen Schallwelle. Damit ergibt sich ein selbstfokussierender Druckwellengenerator, der extrem kompakt, einfach aufgebaut und von sehr hoher Lebens dauer ist. Ganz allgemein können mit der vorstehend beschrie benen Oberflächenstrukturierung jedoch auch beliebige anders erzeugte ebene oder auch gekrümmte Schallwellen in Reflexion fokussiert bzw. abgebildet werden.The properties of this arrangement described in detail lead to self-focusing of the flat sound wave. So that results a self-focusing pressure wave generator, the extremely compact, simply constructed and of very high life duration is. In general, with the above described However, surface structuring can also be any other way generated flat or curved sound waves in reflection be focused or mapped.

Claims

1. A method for generating shock waves for technical, preferably medical, applications, in particular for lithotripsy and / or pain therapy, wherein acoustic waves of a predetermined wavelength generate high energy density by means of pressure pulsations, for which purpose electrical energy in a liquid electrolyte is generated with the aid of an intense electrical pulse is converted directly and largely loss-free into mechanical energy in the form of pressure pulsations, characterized in that the electrical energy is used to heat the conductive, liquid electrolyte and thus the pressure pulsations are generated via a brief heating of the electrolyte, the short-term heating being homogeneous heating takes place in a large and thin liquid layer of the electrolyte.

2. The method according to claim 1, characterized records that current density and electric field strength within the liquid layer across the cross section the arrangement remains largely constant and the thickness the liquid layer is smaller than the waves to be generated length, but the transverse dimension is large compared to generating wavelength.

3. The method according to claim 1, characterized records that when the electrolyte is heated scalable volumes or scalable surfaces simultaneously and recorded homogeneously.

4. The method according to claim 3, characterized records that the geometry of the volumes or upper surfaces are adapted to the intended use.

5. The method according to claim 1, characterized records that the current flow in the electrolyte lower right to the direction of sound propagation.

6. The method according to claim 2, characterized records that the current flow in the liquid layer parallel to the preferred direction of sound propagation and takes place perpendicular to the surface of the liquid layer.

7. Apparatus for performing the method according to claim 1 or one of claims 2 to 6 with a liquid electrolyte and a power pulse generator for generating electrical energy and means for briefly introducing the energy into the electrolyte, characterized by an arrangement of two electrodes ( 1 , 2 , 7 , 8 , 21 , 22 , 31 ), which enclose the electrolyte ( 3 ) and are driven by the power pulse generator ( 5 ), at least one electrode ( 1 , 2 , 7 , 8 , 21 , 22 , 31 ) the coupling of sound waves into a sound propagation medium ( 4 ) enables light.

8. The device according to claim 7 for carrying out the procedural method according to claim 2 and claim 6, characterized in that the liquid layer ( 3 ) is limited on its narrow sides by electrodes ( 7 , 8 ) which are used for current coupling, the Decoupling the sound wave generated by an insulating membrane ( 10 ) is made possible.

9. The device according to claim 8, characterized in that the liquid layer ( 3 ) on its large surfaces by electrodes ( 1 , 2 , 21 , 22 ) is limited, which are used for current coupling and of which at least one is the decoupling of the Sound wave enables.

10. The device according to claim 7, characterized in that the electrode arrangement a first fixed solid electrode ( 1 , 21 , 31 ) and a second thin, light electrode ( 2 , 22 ) in the predetermined Ab stood from the first electrode ( 1 , 21st ) contains, wherein between the electrodes ( 1 , 2 , 21 , 22 ) is the electrolyte ( 3 ) predetermined layer thickness ( 9 ).

11. The device according to claim 7, characterized in that the electrode arrangement includes a first fixed solid electrode ( 1 ) and a second electrode ( 2 ) at a predetermined distance from the first electrode ( 1 ), the second electrode ( 2 ) there is a high transmission grating.

12. The device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the electro den ( 1 , 2 , 7 , 8 , 21 , 22 , 31 ) consist of corrosion-resistant mate rialien.

13. Device according to one of claims 7 to 12, characterized in that the product of mass density and speed of sound of the first electrode ( 1 ) is significantly larger than the related products of the electrolyte ( 3 ) and the sound propagation medium ( 4 ).

14. The apparatus according to claim 10, characterized in that the product of mass density and speed of sound of the electrolyte ( 3 ) on the one hand and the sound propagation medium ( 4 ) on the other hand are approximately the same size and correspond to that of water.

15. The device according to one of claims 7 to 14, characterized in that flat electrodes ( 1 , 2 ) are present, with which a flat sound wave front is generated.

16. The device according to one of claims 7 to 15, characterized in that the electrode arrangement ( 1 , 2 ) is followed by an acoustic lens.

17. Device according to one of claims 7 to 15, characterized in that the sound-hard electrode ( 1 ) has a structure ( 11 , 111 ) of the upper surface ( 100 ).

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the structuring in concentric rings ( 11 ), the surfaces ( 111 ) with the electrode surface ( 100 ) include a predetermined angle.

19. The apparatus according to claim 14, characterized in that the rings ( 11 ) each have a conical shape in cross section.

20. The apparatus according to claim 17, characterized in that the surfaces ( 111 ) of the rings ( 11 ) form conical outer surfaces.

21. The apparatus according to claim 17, characterized in that the surfaces ( 111 ) of the rings form concave curved surfaces of the body of revolution, such as spheroidal, ellipsoidal or parabolic loid surfaces.

22. The apparatus according to claim 7, characterized in that at least one, but preferably two concave electrodes ( 21 , 22 ) are provided, with which a curved wavefront is generated.

23. Device according to one of claims 7 to 22, characterized in that the Lei stungsimpulsgenerator ( 5 ) consists of an LC element and an electronic switching element.

24. The device according to one of claims 7 to 23, characterized in that the electrical conductivity of the electrolyte cal ( 3 ) is set so that the power adaptation to the power pulse generator ( 5 ) is optimized.

25. Device according to one of claims 7 to 24, characterized in that means for degassing the electrolyte ( 3 ) are provided.

26. Device according to one of claims 7 to 25, characterized in that means for fine filtering the electrolyte ( 3 ) are provided.

27. The device according to one of claims 7 to 26, characterized in that a liquid is used as the electrolyte ( 3 ), the value (ΔV / V _o ) / W is as large as possible, wherein ΔV / V _{o is} the relative volume change per registered energy W is.

28. Device according to one of claims 7 to 27, characterized in that the electrolyte ( 3 ) consists of simple alcohols such as ethanol or methanol with ion-conductive additives.

29. Device according to one of claims 7 to 27, characterized in that the electrolyte ( 3 ) consists of higher alcohols, for example ethylene glycol or glycerol with ion-conductive additives.

30. The device according to claim 7, characterized ge indicates that the electrode shape is optimized is for creating a problem-adapted, not punctiform focus.

31. The device according to one of claims 7 to 21 and 23 to 30, characterized in that at least one, but preferably two convex ones Electrodes are present with a curved divergy generating sound wave front is generated.